高頻焊管水壓失效分析與質量控制

常海鋒，王 晰，趙 坤，陳佳遙，常永樂

（1.西安石油大學材料科學與工程學院，陜西 西安 710065；2.寶雞住金石油鋼管有限公司，陜西 寶雞 721008；3.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008）

直縫高頻電阻焊（HFW）管是一種利用高頻電流的集膚效應和臨近效應，將管坯邊緣迅速加熱到焊接溫度后，通過擠壓輥擠壓使鋼帶焊接在一起的制管方法［1-2］。由于HFW焊管外形美觀，生產效率高，制造成本低、尺寸精度高等優點，已廣泛應用于油氣輸送管線工程［3-5］。

靜水壓試驗是HFW焊管制造過程中較全面的質量檢測手段，通過打壓測試，可以在不破壞試樣的情況下測試每根鋼管母材、焊縫的強度與韌性指標是否滿足管線項目設計規范。本文通過對水壓失效爆口進行斷口形貌、金相組織、電鏡掃描分析，總結出一套水壓失效后的分析方法，以查找失效原因，并提出有效地整批鋼管生產質量控制對策。

1 水壓失效處理流程

油氣輸送用HFW焊管行業標準要求每根鋼管應進行靜水壓試驗，試驗過程中整個焊縫或管體無泄漏，試驗后無形狀的變化和管壁鼓起。靜水壓試驗壓力 P 由公式（1）確定，穩壓時間為5～15 s［6-8］。

式中 δ——環向應力，其數值等于鋼管規定最小屈服強度SMYS的百分數，取85%～95%（按內控標準），MPa；

t——壁厚，mm；

D——鋼管外徑，mm。

在HFW焊管制造過程中，出現水壓失效的表現形式主要分為壓爆和泄漏兩類。HFW焊管水壓失效處理流程如圖1所示。

圖1 HFW焊管水壓失效處理流程

2 案例分析

2.1 爆口斷面形貌

某成品管線管規格為Φ323.9 mm×7.1mm，鋼級為L360M，靜水壓失效后，從最大斷口處（起裂點）的金相形貌可以判斷爆口發生在焊縫邊緣的母材上，開裂長度940 mm，開裂最大寬度62 mm，距鋼管一端2 050 mm。爆破管所屬熔煉批共有4卷原料，水壓試驗后焊縫全長超聲波探傷判降級共計35根鋼管。爆口形貌如圖2～3所示，從斷口情況來看，斷裂前發生顯著的塑性變形，斷面為斜斷口，呈纖維狀撕裂，壁厚有減薄，色澤灰暗，斷口邊緣有剪切唇，壁厚中部存在疑似分層缺陷，屬于管線鋼韌性斷裂。

圖2 爆口宏觀形貌

圖3 最大斷口形貌

2.2 金相分析

采用Nikon EPIPHOT200光學顯微鏡進行組織觀察，沿著橫向觀察（與軋向垂直）金相組織。觀察結果為：最大爆口處母材的金相組織為鐵素體+珠光體，為正常組織，如圖4所示；熱影響區組織也為鐵素體+珠光體，但晶粒略粗大，局部存在脫碳現象，為正常組織。最大爆口壁厚中部存在大量密集分布的夾雜物，夾雜物分布與形貌如圖5所示。根據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》標準［9］進行夾雜物評定，結果為B類，即夾雜物主要為氧化物夾雜。由于金相試樣是垂直于軋制方向取樣，理論上是不易觀察到夾雜物，尤其是帶狀夾雜物，因此初步判斷橫向觀察到的帶狀雜質為夾渣。從起裂口金相宏觀照片看，焊縫外表面延伸至壁厚中部斷裂，焊縫流線、組織晶粒均無異樣。起裂口與爆破延伸線上的金相都能看到平行分布的夾雜物，部分部位聚集分布。同時，探傷檢測金相試樣均存在大量密集分布的B類夾雜物，其最高達到3.0級。

圖4 最大爆口處金相形貌

圖5 最大爆口處壁厚中部微觀形貌

取爆口處試樣做化學分析，結果見表1。起裂口試樣各項化學元素均在正常范圍內，滿足管線標準要求，無異常元素波動；金相組織為鐵素體+珠光體，為L360M材質HFW焊管的正常組織。

表1 爆口處材料的化學成分（質量分數） %

高頻焊接時，通過測量金屬流線升角大小以及熔合線寬度，能夠很好地判斷焊接過程熱輸入、擠壓力和焊接速度等參數控制的穩定性，從而達到分析焊縫質量的目的［10］。測量熔合線兩側壁厚1/4處金屬流線升角分別為 57°、64°、66°、67°，說明熔合線兩側金屬流線對稱性良好，且符合國內焊管行業提出的 50°～70°控制范圍［11］。壁厚中部熔合線寬度、內壁側熔合線寬度、外壁側熔合線寬度分別為62.2，78.3，83.5μm，滿足熔合線寬度控制范圍。合理的金屬流線升角和熔合線寬度控制，說明焊接過程工藝參數穩定，焊接質量良好。

2.3 斷口電鏡掃描

對斷口宏觀顯示為疑似分層（圖3）區域放大后觀察發現：中部斷面平坦，邊部存在韌窩；有條狀分布的夾雜物，微觀上存在韌窩和河流花樣，形似準解理裂紋［12-13］，如圖6所示。對斷口處存在的夾雜物進行能譜分析，如圖7所示，其主要成分為Ca、Al、Mg、Na等元素，說明雜質相既有來源于保護渣卷入的夾渣，又含有煉鋼過程中產生的Ca、Al等氧化物夾雜。

圖6 斷口形貌局部放大

圖7 夾雜物能譜分析結果

3 分析結果及對策

3.1 分析結果

根據以上分析，水壓爆破HFW焊管焊縫附近母材存在大量夾雜物，在爆口處有一較大條帶狀夾雜物，導致鋼管在水壓試驗時爆破。母材夾雜物、缺陷層狀分布是導致鋼管水壓試驗時爆破的主要原因。所取分析試樣表明原料組織中存在超標的B類夾雜物，且存在夾渣。形成的原因是：鋼在冶煉過程中，脫氧反應會產生氧化物等產物，若在鋼液凝固前未浮出，則將留在鋼中；連鑄過程中保護渣也可能卷入鑄坯中；經軋制后，這些非金屬夾雜（渣）物顆粒沿軋制方向延長，呈條狀或顆粒狀分布于軋制后的鋼板中，由于夾雜物熔點較高，屬脆性夾雜［14］。因此，在HFW焊管水壓試驗中，大量密集分布、呈條帶狀的夾雜（渣）附近是試樣中殘余應力聚集位置，易成為裂紋源，裂紋擴展容易造成爆管開裂。

3.2 對 策

（1）將該熔煉批卷板制成的成品鋼管全部留置復查。

（2）對留置復查的鋼管采取更嚴格的水壓試驗，水壓壓力值計算采用（95%～98%）SMYS，但前提是鋼管管徑與周長不得超差。

（3）加強水壓試驗前在線超聲波的檢驗監控力度，出現探傷報警時應做好標記，然后集中下線復查。同時，水壓試驗后離線超聲波探傷時，在基準探傷靈敏度基礎上提高3 dB，采用手動低速探傷，擴大焊縫區域母材的掃查范圍，保證鋼管焊縫周圍分層、夾雜物能夠有效檢出。

（4）對于鋼管水壓試驗的盲區部分，鋼管管端分層檢測采用超聲波縱波直探頭探傷。探頭采用盲區小、大聲束交區（深度10 mm）的聯合雙晶片直探頭，晶片尺寸8mm×12mm，頻率為5 MHz，探頭隔聲層垂直于探頭移動方向的掃查方式來保證分層缺陷不漏檢。

4 結 語

HFW焊管靜水壓試驗失效涉及到焊縫和原料兩方面質量因素，一旦出現水壓失效，首先要有針對性地查找原因，借助斷口形貌、金相、電鏡分析及機械性能試驗（拉伸、硬度、夏比沖擊）對存在失效可能性的方面要逐一找到證據消除，最終定性失效源頭。其次，由失效原因及分布情況來決定復檢范圍。若是冷焊、模糊焊等焊接原因造成，可確定焊管一次開機范圍內的鋼管復查；若是原料分層、夾雜物、帶鋼邊緣不良等母材缺陷造成，可針對具體卷板熔煉批和上料卷數確定復查范圍；若失效原因嚴重地涉及到整卷或整熔煉批鋼管，可考慮整批降級。最終，通過有效的檢驗機制，保證投入油氣輸送管網中的HFW鋼管安全運行。

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